BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------HOÀNG MINH LONG
NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH
CHẾ ĐỘ CẮT CHO MÁY TIỆN CNC
Chuyên ngành :
Cơ điện tử
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CƠ ĐIỆN TỬ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
:
TS. Nguyễn Văn Huyến
Hà Nội – Năm 2012
MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Mục lục
Danh mục các bảng
Danh mục các hình, đồ thị
MỞ ĐẦU ………………………….………………………………...........….......…1
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG
1.1. Chất lượng bề mặt gia công ................................................................................7
1.1.1. Khái quát về chất lượng bề mặt gia công………………......................….7
1.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công….…........................8
1.2. Độ chính xác gia công ………………………….…...………….......................13
1.2.1. Khái quát về độ chính xác gia công …..……….….…...…......................13
1.2.2. Các nguyên nhân gây ra sai số gia công …………..................................14
Kết luận chương 1 ……………………………………………...................…….....32
Chương 2
CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU
ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG
2.1. Phương pháp thống kê kinh nghiệm …………………………....................….33
2.2. Phương pháp chọn ………………………………...................……………....33
2.2.1. Khái niệm ……………………………..…………....................….....….33
2.2.2. Nhiệm vụ của phương pháp chọn …………………......................…......34
2.2.3. Xác định qui luật phân bố của đại lượng ngẫu nhiên …..........................34
2.2.4. Kiểm tra các giả thuyết …………………...……….....................…....…35
2.3. Phương pháp thống kê xác suất …………………………...................………..35
2.3.1. Phương thức tiến hành ……………………………….........................…35
2.3.2. Quy luật của sai số gia công trong công nghệ chế tạo máy…….......…...36
2.4. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm ……………………....................…….38
2.4.1. Qui hoạch trực giao cấp I ……………………………………….….....39
2.4.2. Qui hoạch trực giao cấp II ……………………………………..........….40
Kết luận chương 2 ……………………………………………………...……….…53
Chương 3
THIẾT KẾ, THỰC HIỆN THỰC NGHIỆM
3.1. Thiết kế thực nghiệm……………………………………………….…………54
3.1.1. Mô hình hóa thí nghiệm…………………………………………….....54
3.1.2. Mô tả hệ thống thí nghiệm…………………………..…..........................55
3.2. Kết quả thực nghiệm……………………………………………......................62
3.2.1. Kết quả thí nghiệm gia công…………………………….........................62
3.2.2. Xác định hàm hồi qui………………….……………….………………64
Kết luận chương 3 …………………………………………..…..…..……………73
Chương 4
XỬ LÝ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN
4.1. Phân tích lựa chọn phương pháp xử lý kết quả thực nghiệm….……………74
4.2. Ứng dụng phần mềm MATLAB để xử lý kết quả thực nghiệm………………74
4.2.1. Khảo sát tìm cực trị của hàm hồi qui…………………...……………….74
4.2.2. Phân tích kết quả nghiên cứu……………………………………….......76
4.3. Kiểm chứng kết quả bằng thực nghiệm………………………….....................82
Kết luận chương 4…………………………………………..…...…...…………….83
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận…………………………………………………………...……………..84
2. Kiến nghị……………………………………………..………….………………84
TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………......................86
Phụ lục 1: Chương trình thực nghiệm chế tạo chi tiết thử nghiệm
Phụ lục 2: Các kết quả thực nghiệm
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
t
Chiều sâu cắt
Mm
V
Tốc độ cắt
m/phút
n
Tốc độ trục chính
Vòng/phút
S
Lượng tiến dao
Mm/vòng
Ra
Chiều cao nhấp nhô tế vi (độ nhám)
µm
Phương sai của đường cong phân bố
Li
Kích thước thực đạt được của chi tiết cắt thử thứ i
L
Kích thước trung bình cộng của loạt chi tiết cắt thử.
y
Phương trình đường cong phân bố chuẩn
N
Số thí nghiệm thực nghiệm
k
Số yếu tố ảnh hưởng
bj
Số hệ số tuyến tính
f
Bậc tự do còn lại
no
Thí nghiệm ở tâm phương án.
~
Y
Phương trình hồi qui
Sth2
Phương sai tái hiện
Stt2
Phương sai tương thích
Ftn
Chỉ tiêu Fisher
CNC
Computer Numerical Control (máy điều khiển kỹ thuật số)
TYT2 k
Thực nghiệm yếu tố toàn phần
QHTN
Quy hoạch thực nghiệm
MATLAB Matrix Laboratory (phần mềm tính toán)
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1: Mối liên hệ giữa k, N, bj và f…………………………...……………….40
Bảng 2.2: Mối liên hệ k, N và L……………………………………...….…………41
Bảng 2.3: Ma trận thực nghiệm trong phương án cấu trúc có tâm k = 2.………….43
Bảng 2.4: Ma trận thực nghiệm trong phương án cấu trúc có tâm k = 3..…………44
Bảng 2.5: Bảng α phụ thuộc k và n0……….……………………………………….46
Bảng 2.6: Ma trận thực nghiệm cấp II, k = 2 sau khi đổi biến………….………….47
Bảng 2.7: Ma trận thực nghiệm cấp II, k = 3 sau khi đổi biến…….……………….48
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của máy EMCOTURN 365….…….......……………55
Bảng 3.2: Thành phần hoá học của thép Các bon chất lượng C50……...…………57
Bảng 3.3: Cơ tính của thép Các bon chất lượng C50……………………................57
Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật của máy đo độ nhám bề mặt Sultest 402 …...............58
Bảng 3.5: Miền chế độ cắt thực nghiệm…………………….……………..............60
Bảng 3.6: Giá trị Ra của mặt trụ sản phẩm…….…………………….….………….62
Bảng 3.7: Giá trị đường kính hốc trụ D và giá trị sai số ∆D………………………..63
Bảng 3.8: Bảng kết quả thực nghiệm…………………………..…………………..63
Bảng 3.9: Ma trận thực nghiệm ……………………..……………………………..64
Bảng 3.10: Bảng kết quả đo tại tâm phương án đối nhám bề mặt trụ ……………..64
Bảng 3.11: Giá trị thực hiện tại tâm phương án đối với nhám bề mặt ……….........65
_
Bảng 3.12: Bảng các giá trị yi, y i và
N
y
i
yi
2
đối với nhám bề mặt…………...67
i 1
Bảng 3.13: Bảng kết quả đo tại tâm phương án đối với kích thước D ….…............69
Bảng 3.14: Giá trị thực hiện tại tâm phương án đối với kích thước D ….................69
_
Bảng 3.15: Bảng các giá trị yi, y i và
N
y
i
yi
2
đối với kích thước D ………......72
i 1
Bảng 4.1: Các giá trị kiểm nghiệm ………..............................................................82
DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1: Sơ đồ gia công điển hình một chi tiết cơ khí ….……..…………………..8
Hình 1.2: Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến độ nhấp nhô tế vi Rz….……..…………..8
Hình 1.3: Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến độ nhấp nhô tế vi Rz…….………….9
Hình 1.4: Ảnh hưởng của hình dáng hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt đến độ
nhám bề mặt khi tiện……………………………………………….……..………..11
Hình 1.5: Mặt phẳng gia công không song song với mặt phẳng đáy của chi tiết.....17
Hình 1.6: Sai số của các bề mặt khi gia công bằng dao có đỉnh cung tròn...............19
Hình 1.7: Gia công các profil có tọa độ cong thay đổi…………..............………...20
Hình 1.8: Quan hệ giữa độ mòn của dao U và chiều dài cắt L…………..………...21
Hình 1.9: Quan hệ giữa độ giãn dài của dao (Ld) và thời gian cắt liên tục (T)......23
Hình 1.10: Ảnh hưởng của gia công gián đoạn tới biến dạng nhiệt của dao……..24
Hình 1.11: Nhiệt độ của chi tiết khi tiện……………………………….…………..26
Hình 2.1: Đường cong phân bố kích thước thực nghiệm………………..................36
Hình 2.2: Đường cong phân bố kích thước chuẩn Gauss……………….................36
Hình 2.3: Hai đường cong phân bố kích thước y1 và y2………………...................37
Hình 2.4: Đường cong phân bố kích thước thực…………………………...............37
Hình 2.5: Đường cong phân bố không đối xứng…………………………...............38
Hình 2.6: Đường cong phân bố kt của 2 nhóm chi tiết trên 2 máy khác nha.......….38
Hình 2.7: Đường cong phân bố có tính các sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống....38
Hình 3.1: Mô hình hoá quá trình cắt khi tiện............................................................54
Hình 3.2: Máy tiện CNC EMCOTURN 365.............................................................55
Hình 3.3: Hệ điều khiển: Siemens 840D CNC Control............................................56
Hình 3.4: Thân dao PCLNL 2020K09 của Sanvik……………...............................56
Hình 3.5: Kích thước thân dao PCLNL 2020K09……………................................57
Hình 3.6: Mảnh lưỡi cắt CNMG 09 03 04-PF …………….....................................57
Hình 3.7: Mẫu thí nghiệm ……………....................................................................58
Hình 3.8: Máy đo độ nhám bề mặt TR200……………...........................................58
Hình 3.9: Panme điện tử ………..……….................................................................59
Hình 4.1: Chương trình tìm cực tiểu độ nhám bề mặt ………….................................75
Hình 4.2: Kết quả tìm giá trị cực tiểu độ nhám bề mặt …………............................75
Hình 4.3: Ảnh hưởng của lượng chạy dao, vận tốc cắt đến độ nhám bề mặt ……..77
Hình 4.4: Ảnh hưởng của chiều sâu cắt và vận tốc cắt đến độ nhám bề mặt………78
Hình 4.5: Ảnh hưởng của chiều sâu cắt và lượng chạy dao đến độ nhám bề mặt…79
Hình 4.6: Ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt đến sai số kích thước
đường kính sản phẩm………....................................................................................80
1
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Một trong những thành tựu quan trọng nhất của tiến bộ khoa học kỹ thuật là
tự động hóa sản xuất. Phương thức cao của tự động hóa sản xuất là sản xuất linh
hoạt. Trong sản xuất linh hoạt thì máy điều khiển số CNC (Computer Numerical
Control) đóng một vai trò rất quan trọng. Sử dụng máy công cụ điều khiển số
(CNC) cho phép giảm khối lượng gia công chi tiết, nâng cao độ chính xác gia công
và hiệu quả kinh tế, đồng thời cũng rút ngắn được chu kỳ sản xuất. Chính vì vậy
hiện nay nhiều nước trên thế giới đã và đang ứng dụng rộng rãi các máy điều khiển
số vào lĩnh vực cơ khí chế tạo.
Hiện nay các máy điều khiển số được sử dụng rộng rãi ở nước ta để chế tạo
các chi tiết cơ khí, đặc biệt là chế tạo các khuôn mẫu chính xác, các chi tiết phục vụ
công nghiệp quốc phòng. Ngoài ra các máy CNC còn được dùng trong nghiên cứu
khoa học, đào tạo đại học, sau đại học ở nhiều trường đại học kỹ thuật và đào tạo
nghề nhằm cung cấp nguồn nhân lực chất lượng cao cho các cơ sở sản xuất.
Các máy CNC hiện nay có một máy tính để thiết lập các chương trình để
điều khiển các chức năng dịch chuyển của máy. Các chương trình gia công được
đọc cùng một lúc và được lưu trữ vào bộ nhớ. Khi gia công, máy tính đưa ra các
lệnh điều khiển máy. Máy CNC có khả năng thực hiện các chức năng như: nội suy
đường thẳng, nội suy cung tròn, mặt xoắn, parabol và bất kỳ mặt bậc ba nào. Ngoài
ra máy CNC cũng có khả năng bù chiều dài và đường kính dụng cụ. Lập trình hay
tạo các chương trình gia công là quá trình thiết lập các lệnh cho dụng cụ cắt trên cơ
sở bản vẽ chi tiết và các thông tin công nghệ rồi chuyển các thông tin này sang bộ
phận mang dữ liệu được mã hóa và sắp xếp theo dạng máy hiểu được.
Như vậy để có được một chương trình gia công ngoài xác định chi tiết gia
công thì tìm một chế độ cắt hợp lý là một yếu tố quyết định khi gia công trên trên
máy CNC. Xác định một chế độ cắt tối ưu là vấn đề mấu chốt cần phải giải quyết để
nâng cao hiệu quả kinh tế-kỹ thuật trong khai thác sử dụng máy CNC, các chế độ
cắt tối ưu cho từng nguyên công khác nhau được cung cấp cho ngân hàng dữ liệu sử
2
dụng cho tự động hóa chuẩn bị công nghệ nhằm rút ngăn thời gian chuẩn bị công
nghệ đồng thời đảm bảo thời gian gia công và chi phí gia công nhỏ nhất, hiệu quả
kinh tế của quá trình sản xuất cao nhất.
Hiện nay, chế độ cắt (vận tốc cắt - V, bước tiến - S và chiều sâu cắt - t)
thường được xác định bằng cách tra sổ tay công nghệ hoặc bằng cách lấy theo kinh
nghiệm hoặc một số đã được xây dựng dưới các phần mềm tra chế độ cắt nhưng chỉ
là các chỉ dẫn công nghệ dưới dạng khái quát. Còn chế độ công nghệ tối ưu là bản
quyền riêng của từng hãng, họ muốn nắm độc quyền để cạnh tranh hoặc nếu có bán
thì với một giá rất đắt dưới hình thức chuyển giao công nghệ. Mặt khác, việc nghiên
cứu chế độ công nghệ tối ưu thường được gắn liền với điều kiện công nghệ cụ thể.
Do đó đề tài “Nghiên cứu xác định chế độ cắt cho máy tiện CNC” được lựa
chọn để nghiên cứu nhằm mục đích xác định chế độ cắt hợp lý và tiến tới tối ưu hoá
chế độ công nghệ cho quá trình tiện CNC là một việc cần thiết, góp phần vào việc
nâng cao hiệu quả khai thác, sử dụng máy tiện CNC trong sản xuất công nghiệp
quốc phòng nói riêng và là cơ sở để nghiên cứu cho các máy CNC khác.
Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài:
- Cơ sở khoa học: Trên cơ sở lý thuyết giải quyết mối quan hệ giữa các thông
số công nghệ và độ chính xác gia công trên máy tiện CNC.
- Tính thực tiễn:
Kết quả nghiên cứu là cơ sở cho việc tối ưu hoá các thông số công nghệ khi
gia công trên máy tiện CNC. Sử dụng kết quả này vào thực tế sản xuất của các nhà
máy trong ngành công nghiệp Quốc phòng để nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng
năng suất lao động và hạ giá thành sản phẩm.
Mục tiêu của đề tài:
+ Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về quá trình cắt làm cơ sở cho việc
xây dựng mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số công nghệ và
độ chính xác gia công trên máy tiện CNC.
3
+ Nắm được các phương pháp thực nghiệm nghiên cứu độ chính xác gia
công. Dùng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để xử lý kết quả thực nghiệm, xác
định các hàm giới hạn trong bài toán tối ưu hoá các thông số công nghệ khi gia
công.
+ Nắm được các quy luật ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ chính
xác gia công.
+ Đưa ra chế độ cắt hợp lý gia công trên máy tiện CNC cho chi tiết điển hình
trong sản xuất công nghiệp quốc phòng.
Phương pháp nghiên cứu:
- Về lý thuyết:
Nghiên cứu lý thuyết giải quyết mối quan hệ giữa các thông số công nghệ
và độ chính xác gia công.
- Về thực nghiệm:
Thực nghiệm trên máy tiện CNC, xử lý kết quả và đưa ra các hàm toán học
biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số công nghệ và độ chính xác gia công.
Nội dung nghiên cứu
Xuất phát từ đề tài nghiên cứu, luận văn này có nội dung như sau:
Chương 1: Tổng quan về độ chính xác gia công.
Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm nghiên cứu độ chính xác gia công.
Chương 3: Thiết kế, thực hiện thực nghiệm.
Chương 4: Xử lý kết quả thực nghiệm.
Để hoàn thành luận văn, tôi đã được sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy hướng
dẫn TS. Nguyễn Văn Huyến, cùng các thầy trong khoa cơ khí trường đại học Bách
Khoa Hà Nội. Tôi xin chân thành cảm ơn.
Do những hạn chế về kiến thức và tài liệu nghiên cứu nên luận văn của tôi
không tránh khỏi những thiếu xót. Kính mong các thầy, các đồng nghiệp và bạn đọc
đóng góp ý kiến để luận văn được hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
5
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG
Mở đầu
Gia công trên máy CNC là gia công tốc độ cao với tốc độ cắt gấp 5 đến 10 lần
tốc độ cắt bình thường.
Gia công ở tốc độ cao thường có những đặc điểm sau:
- Năng suất cắt cao;
- Lực cắt nhỏ do đó biến dạng hệ thống công nghệ giảm, độ chính xác gia công
tăng;
- Chất lượng bề mặt được nâng cao do chiều cao nhấp nhô bề mặt giảm, ứng
suất dư lớp bề mặt giảm;
- Lượng nhiệt truyền vào phoi tăng, phần truyền nhiệt vào chi tiết giảm;
- Tần số rung của hệ thống công nghệ cao, thích hợp với việc gia công các loại
vật liệu khó gia công.
Tuy vậy, khi gia công ở tốc độ cao, dụng cụ cắt mòn nhanh dẫn đến tuổi bền
T giảm. Trong 10 năm trở lại đây, do có các tiến bộ của công nghệ chế tạo dụng cụ
cắt nên công nghệ gia công CNC được áp dụng rộng rãi trong sản suất.
Các tiến bộ trên đây của khoa học – công nghệ làm cho các số liệu về chế độ
cắt lưu trữ dưới dạng bảng hoặc lưu trữ trong ngân hàng dữ liệu lạc hậu một cách
nhanh chóng. Mặt khác, việc nghiên cứu xác định chế độ cắt tối ưu luôn luôn gắn
liền với điều kiện công nghệ cụ thể. Hơn thế nữa, các hãng bán thiết bị chỉ đưa ra
hướng dẫn công nghệ ở dạng khái quát. Còn chế độ công nghệ tối ưu là bản quyền
riêng của từng hãng, họ không bán nhằm độc quyền để giữ được lợi thế cạnh tranh,
nếu bán thì đó là do các chế độ công nghệ đó đã lạc hậu hoặc bán rất đắt dưới hình
thức chuyển giao công nghệ. Do đó, nghiên cứu xác định chế độ cho quá trình cắt
gọt là bắt buộc và là yếu tố phát triển của nền chế tạo cơ khí hiện đại.
Khi nhận nhiệm vụ gia công một chi tiết có bản vẽ với đầy đủ các yêu cầu kỹ
thuật ta có sơ đồ thuật toán như dưới đây:
6
Bắt đầu
Nhiệm vụ gia công
Sai
Chế độ cắt
đã có
Nghiên cứu xác định
chế độ cắt tối ưu
Đúng
Ngân hàng dữ liệu về
chế độ cắt
Tự động hóa chuẩn bị
công nghệ
Sản xuất
Kết thúc
Hình 1.1: Sơ đồ gia công điển hình một chi tiết cơ khí
Trước tiên người kỹ sư sẽ kiểm tra xem chế độ cắt cho chi tiết này đã có
trong ngân hàng dữ liệu chưa. Nếu dữ liệu chế độ cắt chưa có thì nhiệm vụ gia công
được chuyển cho bộ phận nghiên cứu để tiến hành xác định chế độ cắt. Kết quả
nghiên cứu được bổ sung vào ngân hàng dữ liệu.
7
Nếu chế độ cắt đã được nghiên cứu rồi thì căn cứ vào yêu cầu kỹ thuật của
chi tiết (như độ chính xác về kích thước, độ chính xác về hình dạng, cấp độ nhẵn
bóng bề mặt…) và các điều kiện công nghệ cụ thể khác như phương pháp gia công,
vật liệu phôi, vật liệu dao, hình dạng và kích thước chi tiết, công nghệ trơn nguội
của máy CNC…. Ngân hàng dữ liệu sẽ cung cấp chế độ cắt và thời gian gia công
từng bề mặt cũng như thời gian gia công toàn bộ chi tiết. Dựa vào các số liệu đó
người ta tiến hành tự động hóa chuẩn bị công nghệ.
Trong chương này em xin trình bày các yếu tố chế độ công nghệ ảnh hưởng
đến chất lượng sản phẩm khi gia công trên máy CNC.
1.1. Chất lượng bề mặt gia công
1.1.1. Khái quát về chất lượng bề mặt gia công
Chất lượng bề mặt chi tiết gia công là tập hợp nhiều tính chất quan trọng của
lớp bề mặt. Cụ thể là:
-
Hình dáng lớp bề mặt (bao gồm độ nhám và độ sóng bề mặt).
Độ nhám bề mặt gia công được đánh giá bằng chiều cao nhấp nhô tế vi Rz (Ra hoặc
tiêu chí khác). Độ sóng bề mặt được đánh giá bởi chiều cao sóng H và bước sóng L.
-
Trạng thái và tính chất cơ lý lớp bề mặt (độ cứng, chiều sâu lớp biến cứng,
ứng suất dư,...).
-
Phản ứng của lớp bề mặt đối với môi trường làm việc (tính chống mòn, khả
năng chống xâm thực hoá học, độ bền mỏi,...).
Chất lượng bề mặt chi tiết gia công phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố và điều
kiện gia công, cụ thể như:
+ Phụ thuộc vào vật liệu gia công: tính dẻo, độ cứng, độ bền phá huỷ của vật
liệu,...
+ Phụ thuộc vào phương pháp gia công: gia công bằng hình thức nào?
+ Phụ thuộc vào tình trạng máy: độ cứng vững của máy, trạng thái mòn,...
+ Phụ thuộc vào dụng cụ cắt: hình dáng hình học đầu dao, góc độ dao, vật
liệu làm dao, độ mòn dao,...
+ Phụ thuộc vào lực cắt, nhiệt cắt.
+ Phụ thuộc vào độ cứng vững của hệ thống công nghệ.
8
+ Phụ thuộc vào chế độ cắt: vận tốc cắt, chiều sâu cắt, bước tiến dao.
+ Phụ thuộc vào chế độ bôi trơn làm mát: loại dung dịch trơn nguội, lưu
lượng tưới, thời điểm tưới,...
Trong các yếu tố kể trên thì ảnh hưởng của chế độ cắt mang tính chất bao
trùm hơn cả vì chính chế độ cắt còn chi phối cả sự phát sinh nhiệt cắt, lực cắt, phoi
bám (lẹo dao), rung động của hệ thống công nghệ,...
1.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công
1.1.2.1. Ảnh hưởng của vận tốc cắt V đến độ nhám bề mặt gia công
Tốc độ cắt V là yếu tố có ảnh hưởng rất lớn đến độ nhám bề mặt.
Khi cắt thép Cacbon ở vận tốc thấp, nhiệt cắt không cao, phoi kim loại tách
dễ, biến dạng của lớp bề mặt không nhiều, vì vậy độ nhám bề mặt thấp. Khi tăng
vận tốc cắt đến khoảng V = 15 - 20 m/ph thì nhiệt cắt, lực cắt đều tăng và có giá trị
lớn, gây ra biến dạng dẻo mạnh, ở mặt trước và mặt sau dao kim loại bị chảy dẻo.
Khi lớp kim loại bị nén chặt ở mặt trước dao và nhiệt độ cao làm tăng hệ số ma sát
ở vùng cắt sẽ hình thành lẹo dao. Lẹo dao làm tăng độ nhám bề mặt gia công. Nếu
tiếp tục tăng vận tốc cắt, lẹo dao bị nung nóng nhanh hơn, vùng kim loại biến dạng
bị phá hủy, lực dính của lẹo dao không thắng nổi lực ma sát của dòng phoi và lẹo
dao bị cuốn đi (lẹo dao biến mất khi vận tốc cắt khoảng V = 30 - 60 m/ph. Với vận
tốc cắt V > 60 m/ph thì lẹo dao không hình thành được nên độ nhám bề mặt gia
công giảm, độ nhẵn tăng.
Hình 1.2: Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến độ nhấp nhô tế vi Rz
9
Khi gia công kim loại giòn (gang), các mảnh kim loại bị trượt và vỡ ra không
có thứ tự làm tăng độ nhấp nhô tế vi bề mặt. Tăng vận tốc cắt sẽ giảm được hiện
tượng vỡ vụn của kim loại, làm tăng độ nhẵn bóng của bề mặt gia công.
Nghiên cứu gia công loại thép chịu nhiệt X200Cr12 bằng hai loại dụng cụ cắt
khác nhau, các tác giả M A Yallese, JưF Rigal, K. Chaoui and Boulanouar đã đưa ra
rằng: Khi cắt với vận tốc nhỏ thì sự ảnh hưởng của vận tốc cắt đến độ nhám bề mặt
không ổn định và có chiều hướng giảm khi V tăng, còn khi cắt với vận tốc cắt từ
120m/phút 180m/phút thì độ nhám bề mặt tương đối ổn định và mối quan hệ giữa
vận tốc cắt với độ nhám bề mặt là một hàm nghịch biến.
1.1.2.2. Ảnh hưởng của lượng chạy dao S đến độ nhám bề mặt gia công
Lượng chạy dao S là thành phần thứ hai của chế độ cắt ảnh hưởng nhiều đến
chiều cao nhấp nhô Rz. Điều đó không những do liên quan về hình học của dao mà
còn do biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi của lớp bề mặt.
Khi gia công thép Carbon, với giá trị lượng chạy dao S = 0,02 - 0,15 mm/vg
thì bề mặt gia công có độ nhấp nhô tế vi thấp nhất. Nếu giảm S < 0,02 mm/vg thì độ
nhấp nhô tế vi tăng vì ảnh hưởng của biến dạng dẻo lớn hơn ảnh hưởng của các yếu
tố hình học. Nếu lượng chạy dao S > 0,15 mm/vg thì biến dạng đàn hồi sẽ ảnh
hưởng đến sự hình thành các nhấp nhô tế vi, kết hợp với ảnh hưởng của các yếu tố
hình học làm cho độ nhám bề mặt tăng lên nhiều.
Hình 1.3: Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến độ nhấp nhô tế vi Rz
Như vậy, để đảm bảo đạt độ nhẵn bóng bề mặt và năng suất cao nên chọn giá
trị lượng chạy dao S = 0,02 - 0,15 mm/vg đối với thép Carbon.
10
1.1.2.3. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt t đến độ nhám bề mặt gia công
Chiều sâu cắt là yếu tố có ảnh hưởng ít nhất đến độ nhấp nhô tế vi lớp bề mặt
khi gia công. Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng, khi thay đổi chiều sâu cắt
thì lực cắt đơn vị thay đổi. Sự thay đổi lực cắt làm ảnh hưởng đến độ cứng vững của
hệ thống công nghệ, do đó làm cho chất lượng bề mặt gia công giảm trong đó ảnh
hưởng đến chiều cao sóng và bước sóng bề mặt là chủ yếu. Cần chú ý rằng, khi cắt
với chiều sâu cắt quá bé thì cũng xảy ra hiện tượng trượt dao như khi cắt với lượng
tiến dao nhỏ. Thực nghiệm cho thấy khi cắt với chiều sâu cắt t = 0,02 0,03mm
thường xảy ra hiện tượng trượt dao. Khi đó kim loại chủ yếu bị nén chặt làm cho
chiều cao nhấp nhô tế vi tăng lên và lớp bề mặt bị biến cứng, gây khó khăn cho lần
gia công tiếp theo.
Vì vậy, trong quá trình gia công người ta chọn trước chiều sâu cắt t. Nói
chung, không nên chọn giá trị chiều sâu cắt quá nhỏ vì khi đó lưỡi cắt sẽ bị trượt và
cắt không liên tục. Giá trị chiều sâu cắt t ≥ 0,02 - 0,03 (mm).
Tuy nhiên nếu chiều sâu cắt quá lớn thì rung động trong quá trình cắt tăng,
do đó độ nhám có thể tăng.
1.1.2.4. Thông số hình học của dụng cụ cắt
Để nghiên cứu, xét sự ảnh hưởng của hình dạng hình học của dụng cụ cắt và
chế độ cắt đến chất lượng bề mặt chi tiết khi tiện. Các thông số hình học của lưỡi
cắt, đặc biệt là góc trước γ và độ mòn có ảnh hưởng đến Rz. Khi góc γ tăng thì Rz
giảm, độ mòn dụng cụ tăng thì Rz tăng.
11
Hình 1.4: Ảnh hưởng của hình dáng hình học của dụng
cụ cắt và chế độ cắt đến độ nhám bề mặt khi tiện
Ngoài ảnh hưởng đến nhám bề mặt, hình dáng hình học của dụng cụ cắt và
chế độ cắt cũng ảnh hưởng đến lớp biến cứng bề mặt và được tính đến qua hệ số
hiệu chỉnh.
Xét sự ảnh hưởng của hình dạng hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt đến
chất lượng bề mặt chi tiết khi tiện. Sau một vòng quay của phôi, dao tiện sẽ dịch
chuyển một đoạn là S1 từ vị trí 1 đến vị trí 2 (hình 1.3a). Trên bề mặt gia công sẽ bị
chừa lại phần kim loại m không được hớt đi bởi dao. Chiều cao nhấp nhô Rz xác
định bởi S1 và hình dạng hình học của dao cắt. Nếu giảm lượng chạy dao thì chiều
cao nhấp nhô cũng giảm (hình 1.3b). Thay đổi giá trị góc và 1 không những
làm thay đổi chiều cao nhấp nhô mà còn làm thay đổi cả hình dạng nhấp nhô (hình
1.3c). Nếu bán kính mũi dao có dạng tròn r1 thì nhấp nhô cũng có đáy lõm tròn
(hình 1.3d). Nếu tăng bán kính mũi dao lên r2 thì chiều cao nhấp nhô Rz sẽ giảm
12
(hình 1.3e). Khi bán kính đỉnh r nhỏ và lượng chạy dao S lớn, ngoài phần cong của
lưỡi cắt, phần thẳng cũng tham gia vào việc ảnh hưởng đến hình dạng và chiều cao
nhấp nhô (hình 1.3f)
1.1.2.5. Ảnh hưởng của vật liệu gia công đến độ nhám bề mặt gia công
Tính chất vật liệu cũng có ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt chủ yếu là do khả
năng biến dạng dẻo. Khi gia công vật liệu dẻo, bề mặt ngoài sẽ biến dạng rất nhiều
làm cho cấu trúc của nó thay đổi. Khi đó, hình dạng hình học và độ nhấp nhô đều
thay đổi. Khi gia công vật liệu giòn, có một số phần nhỏ lại phá vỡ, làm tăng độ
nhấp nhô bề mặt.
Vật liệu dẻo và dai (thép ít Cacbon) dễ biến dạng dẻo sẽ cho độ nhám bề mặt
lớn hơn vật liệu cứng và giòn.
Khi gia công thép Carbon, để đạt độ nhám bề mặt thấp, người ta thường
tiến hành thường hóa ở nhiệt độ 850 đến 870oC (hoặc tôi thấp) trước khi gia công.
Để cải thiện điều kiện cắt và nâng cao tuổi thọ dụng cụ cắt người ta thường tiến
hành ủ ở 900oC trong 5 giờ để cấu trúc kim loại có hạt nhỏ và đồng đều.
1.1.2.6. Ảnh hưởng của rung động của hệ thống công nghệ đến độ nhám bề mặt gia
công
Quá trình rung động trong hệ thống công nghệ tạo ra chuyển động tương đối
có chu kỳ giữa dụng cụ cắt và chi tiết gia công, làm thay đổi điều kiện ma sát, gây
nên độ sóng và nhấp nhô tế vi trên bề mặt gia công.
Sai lệch của các bộ phận máy làm cho chuyển động của máy không ổn định,
hệ thống công nghệ sẽ có dao động cưỡng bức, nghĩa là các bộ phận máy khi làm
việc sẽ có rung động với những tần số khác nhau, gây ra sóng dọc và sóng ngang
trên bề mặt gia công với bước sóng khác nhau.
Khi hệ thống công nghệ có rung động, độ sóng và độ nhấp nhô tế vi dọc sẽ
tăng nếu lực cắt tăng, chiều sâu cắt lớn và tốc độ cắt cao. Tình trạng máy có ảnh
hưởng quyết định đến độ nhám của bề mặt gia công.
Muốn đạt độ nhám bề mặt gia công thấp, trước hết phải đảm bảo đủ cứng
vững, phải điều chỉnh máy tốt và giảm ảnh hưởng của các máy khác xung quanh.
13
1.2. Độ chính xác gia công
1.2.1. Khái quát về độ chính xác gia công
Độ chính xác gia công của chi tiết máy là mức độ giống nhau về hình học, về
tính chất cơ lý lớp bề mặt của chi tiết máy được gia công so với chi tiết máy lý
tưởng trên bản vẽ thiết kế.
Nói chung, độ chính xác của chi tiết máy được gia công là chỉ tiêu khó đạt và
gây tốn kém nhất kể cả trong quá trình xác lập ra nó cũng như trong quá trình chế
tạo.
Trong thực tế, không thể chế tạo được chi tiết máy tuyệt đối chính xác, nghĩa
là hoàn toàn phù hợp về mặt hình học, kích thước cũng như tính chất cơ lý với các
giá trị ghi trong bản vẽ thiết kế. Giá trị sai lệch giữa chi tiết gia công và chi tiết thiết
kế được dùng để đánh giá độ chính xác gia công.
* Các chỉ tiêu đánh giá độ chính xác gia công:
- Độ chính xác kích thước: được đánh giá bằng sai số kích thước thật so với
kích thước lý tưởng cần có và được thể hiện bằng dung sai của kích thước đó.
- Độ chính xác hình dáng hình học: là mức độ phù hợp lớn nhất của chúng
với hình dạng hình học lý tưởng của nó và được đánh giá bằng độ côn, độ ôvan, độ
không trụ, độ không tròn... (bề mặt trụ), độ phẳng, độ thẳng (bề mặt phẳng).
- Độ chính xác vị trí tương quan: được đánh giá theo sai số về góc xoay hoặc
sự dịch chuyển giữa vị trí bề mặt này với bề mặt kia (dùng làm mặt chuẩn) trong hai
mặt phẳng tọa độ vuông góc với nhau và được ghi thành điều kiện kỹ thuật riêng
trên bản vẽ thiết kế như độ song song, độ vuông góc, độ đồng tâm, độ đối xứng....
- Độ chính xác hình dáng hình học tế vi và tính chất cơ lý lớp bề mặt: độ
nhám bề mặt, độ cứng bề mặt...
Khi gia công một loạt chi tiết trong cùng một điều kiện, mặc dù những
nguyên nhân sinh ra từng sai số của mỗi chi tiết là giống nhau nhưng xuất hiện giá
trị sai số tổng cộng trên từng chi tiết lại khác nhau. Sở dĩ có hiện tượng như vậy là
do tính chất khác nhau của các sai số thành phần.
Một số sai số xuất hiện trên từng chi tiết của cả loạt đều có giá trị không đổi
hoặc thay đổi nhưng theo một quy định nhất định, những sai số này gọi là sai số hệ
14
thống không đổi hoặc sai số hệ thống thay đổi. Có một sai số khác mà giá trị của
chúng xuất hiện trên mỗi chi tiết không theo một quy luật nào cả, những sai số này
gọi là sai số ngẫu nhiên.
1.2.2. Các nguyên nhân gây ra sai số gia công
Trong quá trình gia công, có rất nhiều nguyên nhân sinh ra sai số gia công.
Sai số gia công gồm có sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên. Sai số xuất hiện trên
từng chi tiết của cả loạt đều có giá trị không đổi gọi là sai số hệ thống không đổi.
Hoặc sai số xuất hiện trên từng chi tiết của cả loạt có giá trị thay đổi nhưng theo
một quy luật nhất định, sai số này gọi là sai số hệ thống thay đổi. Có một sai số
khác mà giá trị của chúng xuất hiện trên mỗi chi tiết không theo một quy luật nào
cả, những sai số này gọi là sai số ngẫu nhiên.
- Các nguyên nhân sinh ra sai số hệ thống không đổi:
+ Sai số lý thuyết của phương pháp cắt.
+ Sai số chế tạo của dụng cụ cắt, độ chính xác và mòn của máy, đồ gá.
+ Độ biến dạng của chi tiết gia công.
- Các nguyên nhân sinh ra sai số hệ thống thay đổi:
+ Dụng cụ cắt bị mòn theo thời gian.
+ Biến dạng vì nhiệt của máy, đồ gá, dụng cụ cắt.
- Các nguyên nhân sinh ra sai số ngẫu nhiên:
+ Tính chất vật liệu (độ cứng) không đồng nhất.
+ Lượng dư gia công không đều (do sai số của phôi).
+ Vị trí của phôi trong đồ gá thay đổi (sai số gá đặt)
+ Sự thay đổi của ứng suất dư.
+ Do gá dao nhiều lần.
+ Do mài dao nhiều lần
+ Do thay đổi nhiều máy để gia công một loạt chi tiết.
+ Do dao động nhiệt của chế độ cắt gọt.
1.2.2.1. Ảnh hưởng do biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ
Hệ thống công nghệ (máy - dao - đồ gá - chi tiết gia công) là một hệ thống
đàn hồi. Sự thay đổi các giá trị biến dạng đàn hồi dưới tác dụng của lực cắt sẽ gây ra
15
sai số kích thước và sai số hình dáng hình học của chi tiết gia công. Biến dạng đàn
hồi của hệ thống công nghệ phụ thuộc vào lực cắt và độ cứng vững của bản thân hệ
thống đó.
Ngoài ra, lực cắt còn gây biến dạng tiếp xúc giữa các chi tiết trong hệ thống
công nghệ. Lực cắt thay đổi là do lượng dư gia công không cố định, tính chất cơ lý
của vật liệu gia công không cố định và do mòn dao. Biến dạng đàn hồi và biến dạng
tiếp xúc có ảnh hưởng rất lớn đến sai số gia công.
Các máy CNC có độ cứng vững cao hơn các máy vạn năng thông thường
khoảng 40 - 50%, vì vậy trong cùng một điều kiện gia công thì độ chính xác đạt
được trên máy CNC sẽ cao hơn.
1.2.2.1.1. Độ cứng vững của hệ thống công nghệ
Độ cứng vững của hệ thống công nghệ là khả năng chống lại biến dạng của
nó do ngoại lực gây ra.
Độ cứng vững của hệ thống công nghệ được biểu diễn định lượng bằng công
thức sau:
J=
Py
y
(1.1)
Ở đây: J - độ cứng vững (kN/m hoặc kG/mm);
Py - lực tác dụng theo phương pháp tuyến của bề mặt gia công (kN hoặc kG);
y - lượng dịch chuyển theo phương tác dụng của lực (mm).
Độ cứng vững của hệ thống công nghệ cũng có thể được biểu diễn qua số gia:
J=
Py
y
(1.2)
Ở đây: Py và y - số gia của lực tác dụng và của lượng dịch chuyển (hay biến
dạng) có cùng đơn vị đo như trong công thức (1.1).
Đôi khi người ta còn dùng khái niệm độ mềm dẻo (khả năng biến dạng đàn hồi
của hệ thống công nghệ dưới tác dụng của ngoại lực) để biểu diễn giá trị đảo ngược
của độ cứng vững.
Độ mềm dẻo của hệ thống công nghệ được xác định theo công thức sau:
16
=
y
Py
(1.3)
Ở đây: - độ mềm dẻo (m/kN hoặc mm/kG);
Py - lực tác dụng (kN hoặc kG).
Hoặc:
=
1
J
(1.4)
Ở đây: J - độ cứng vững.
Trong ba thành phần lực cắt Px, Py và Pz thì Py (lực hướng kính) có ảnh hưởng
lớn nhất đến lượng biến dạng đàn hồi. Vì vậy, để đơn giản khi tính toán ta chỉ giới
hạn lực Py.
1.2.2.1.2. Độ biến dạng tiếp xúc và biến dạng của bản thân chi tiết
Lượng biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ (hoặc của các phần tử trong
hệ thống) phụ thuộc vào biến dạng của bản thân các chi tiết và biến dạng tiếp xúc
của các bề mặt lắp ghép.
Biến dạng của bản thân chi tiết (biến dạng kéo, biến dạng nén, biến dạng uốn,
biến dạng xoắn hoặc tổng hợp các biến dạng đó) được tính theo các công thức của
sức bền vật liệu hoặc theo lý thuyết đàn hồi.
Biến dạng tiếp xúc phụ thuộc vào độ nhám bề mặt, độ sóng bề mặt, sai số
hình dáng hình học, tính chất đàn hồi của vật liệu tiếp xúc, điều kiện bôi trơn và đặc
tính tải trọng của các bề mặt tiếp xúc .
Độ cứng vững tiếp xúc được xác định theo công thức:
q
y
(1.5)
Ở đây: - độ cứng vững tiếp xúc (N/mm 3 hoặc kG/mm3);
q - áp lực riêng (N/mm2 hoặc kG/mm 2);
y - biến dạng (mm).
1.2.2.1.3. Ảnh hưởng do sai số của phôi
Khi gia công, dao bị mòn làm cho lực cắt Py và biến dạng đàn hồi của hệ thống
công nghệ tăng lên, do đó kích thước của chi tiết máy cũng bị biến động. Còn sự
biến động của độ cứng vật liệu và lượng dư gia công sẽ gây ra sai số hình dáng hình
17
học của chi tiết. Trong thực tế cũng tồn tại hiện tượng in dập (di truyền công nghệ)
sai số hình dáng hình học cùng tính chất của phôi và chi tiết gia công như độ ô van,
độ côn, độ đảo, v.v...
1.2.2.2. Ảnh hưởng của độ chính xác của máy tới sai số gia công
Thông thường máy công cụ có những sai số hình học sau:
- Độ đảo hướng kính của trục chính.
- Độ đảo của lỗ côn trục chính.
- Độ đảo mặt đầu của trục chính.
- Các sai số của các bộ phận khác như sống trượt, bàn máy, v.v...
Các sai số trên đây sẽ phản ánh một phần hoặc toàn bộ lên chi tiết gia công
dưới dạng sai số hệ thống. Việc hình thành các bề mặt gia công là do chuyển động
cưỡng bức của các bộ phận chính như trục chính, bàn máy hoặc bàn dao, v.v... Nếu
các chuyển động này có sai số chúng sẽ phản ánh lên bề mặt của chi tiết gia công.
Đối với các máy công cụ khác cũng vậy, sai số chế tạo của máy sẽ trực tiếp
gây ra sai số gia công. Ví dụ, trên máy phay đứng, nếu trục chính của máy không
thẳng góc với bàn máy theo phương ngang của bàn máy thì mặt phẳng gia công sẽ
không song song với mặt đáy của chi tiết đã định vị trên bàn máy. Độ không song
song này sẽ bằng độ không vuông góc của đường tâm trục chính so với bàn máy
(hình 1.4).
Hình 1.5: Mặt phẳng gia công không song song với
mặt phẳng đáy của chi tiết
18
1.2.2.3. Ảnh hưởng của sai số của đồ gá tới độ chính xác gia công
Sai số chế tạo và lắp ráp của đồ gá cũng ảnh hưởng đến độ chính xác của chi
tiết gia công. Các chi tiết quan trọng của đồ gá như các chi tiết định vị, dẫn hướng,
so dao v.v... nếu có sai số do chế tạo hoặc mòn sẽ làm thay đổi vị trí tương đối giữa
máy - dao - chi tiết, do đó cũng gây ra sai số gia công. Sai số này có thể xác định
được bằng tính toán dựa vào dung sai của các chi tiết chủ yếu của đồ gá hoặc có thể
dựa vào kích thước thực tế của các chi tiết đó khi chế tạo.
Nhìn chung, tốc độ mòn của đồ gá cũng như của máy công cụ rất chậm vì vậy
sai số về hình học của đồ gá sẽ phản ánh lên các chi tiết được gia công là như nhau
và mang tính hệ thống.
Ngoài ra, sai số do lắp ráp đồ gá lên máy cũng gây ra sai số gia công vì nó làm
mất vị trí chính xác của đồ gá so với dụng cụ cắt.
Để đảm bảo độ chính xác gia công thì độ chính xác của đồ gá được chế tạo
phải cao hơn ít nhất là một cấp so với độ chính xác của kích thước gia công.
1.2.2.4. Ảnh hưởng của sai số của dụng cụ cắt tới độ chính xác gia công
Độ chính xác chế tạo dụng cụ cắt, mức độ mài mòn của nó và sai số gá đặt trên
máy đều ảnh hưởng đến độ chính xác gia công.
1.2.2.4.1. Sai số chế tạo dao
Khi gia công bằng các dụng cụ định kích thước (ví dụ như mũi khoan, mũi
khoét, dao doa, dao chuốt,...) thì sai số của chúng ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính
xác gia công.
Khi gia công rãnh then bằng dao phay ngón, dao phay đĩa thì sai số đường
kính và bề rộng của dao cũng ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác chiều rộng của
rãnh then.
Sai số bước ren, góc nâng của ren, góc đỉnh ren, đường kính trung bình của
các loại tarô và bàn ren đều phản ánh trực tiếp lên ren gia công.
Khi gia công các mặt định hình bằng các dao định hình (như dao tiện định
hình, dao phay răng môđun) thì sai số profil của dao sẽ gây ra sai số hình dạng bề
mặt.
19
Khi tiện, bề mặt gia công được tạo hình bằng các điểm khác nhau trên phần
cung tròn của đỉnh dao (hình 1.5a): r - bán kính cung tròn; mặt trụ được tạo hình
bằng điểm A; mặt đầu được tạo hình bằng điểm B. Các yếu tố này luôn luôn được
tính đến khi lập trình gia công mặt côn và mặt cong. Khi gia công các mặt côn chỉ
cần đưa vào chương trình giá trị hiệu chỉnh a theo trục Z (khoảng cách giữa B và C
trên hình 1.5a). Nếu bán kính đỉnh dao thực tế khác bán kính đỉnh dao lập trình thì
sẽ xuất hiện sai số gia công của chi tiết.
Hình 1.5b là sơ đồ gia công mặt côn với góc . Ta phải lập trình gia công bằng
dao có bán kính đỉnh dao là r và phải tính đến giá trị dịch chuyển a. Tuy nhiên, dao
thực tế lại có bán kính là r khác với bán kính r một giá trị là r (r = r - r). Do một
số máy tiện CNC không có hiệu chỉnh bán kính đỉnh dao mà chỉ hiệu chỉnh chi tiết
theo từng trục tọa độ cho nên các kích thước đường kính D1 và D2 đạt được nhờ
hiệu chỉnh dao theo trục X’. Sai số kích thước theo trục Z’ được xác định bằng công
thức: z = r.tg
, còn sai số profil = 2r.sin2 .
2
2
Hình 1.6: Sai số của các bề mặt khi gia công bằng
dao có đỉnh cung tròn